Março 24, 2015
José Pedro Galamba Egídio Reis
Licenciado em Ciências da Engenharia Eletrotécnica
e de Computadores
Estudo do Desempenho de um protocolo Slotted
ALOHA P-persistente numa rede de
Rádio Cognitivo
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
Orientador: Luís Filipe Lourenço Bernardo, Professor Auxiliar, FCT-UNL
Júri:
Presidente: Doutor Rodolfo Alexandre Duarte Oliveira – FCT-UNL
Arguentes: Doutora Teresa Maria Sá Ferreira Vazão Vasques – IST/UL
rede de R´adio Cognitivo
Copyright ➞Jos´e Pedro Galamba Eg´ıdio Reis, Faculdade de Ciˆencias e Tecnologia,
Uni-versidade Nova de Lisboa
A Faculdade de Ciˆencias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa tˆem o direito,
perp´etuo e sem limites geogr´aficos, de arquivar e publicar esta disserta¸c˜ao atrav´es de
exem-plares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio
conhecido ou que venha a ser inventado, e de a divulgar atrav´es de reposit´orios cient´ıficos
e de admitir a sua c´opia e distribui¸c˜ao com objetivos educacionais ou de investiga¸c˜ao, n˜ao
Este espa¸co ´e dedicado `aqueles que contribu´ıram, direta ou indiretamente, para que
esta disserta¸c˜ao fosse realizada.
Em primeiro lugar, gostaria de agradecer ao orientador desta disserta¸c˜ao. Ao Professor
Dr. Lu´ıs Filipe Bernardo pela sua colabora¸c˜ao, conhecimentos transmitidos e dedica¸c˜ao
not´avel no acompanhamento deste estudo. Agrade¸co tamb´em as suas verifica¸c˜oes,
recon-sidera¸c˜oes e revis˜oes prestadas.
Agrade¸co tamb´em ao Professor Dr. Rodolfo Alexandre Oliveira, pela disponibilidade
e aux´ılio ocasional ao longo de todo o trabalho.
Agrade¸co ainda o apoio fornecido pela Funda¸c˜ao para a Ciˆencia e Tecnologia, atrav´es
da bolsa de investiga¸c˜ao no ˆambito do Projeto PTDC/EEA-TEL/120666/2010.
Aos meus amigos do curso pela paciˆencia e apoio prestados ao longo de todo o percurso
acad´emico.
Aos meus amigos de infˆancia pelos momentos de desabafo e palavras de animo quando
a motiva¸c˜ao parecia desaparecer.
E porque o melhor fica sempre para o final, agrade¸co aos meus pais pelo apoio
incon-dicional durante todo o processo de disserta¸c˜ao, por todos os valores e educa¸c˜ao que me
transmitiram e pelo incentivo de estudar e terminar o ensino superior.
A realiza¸c˜ao desta disserta¸c˜ao marca o fim de uma importante etapa da minha vida.
A todos eles, deixo o meu sincero agradecimento.
O surgimento de produtos e servi¸cos sem fios levou `a necessidade de maiores d´ebitos.
Consequentemente, a procura pelo espetro eletromagn´etico atingiu valores nunca antes
vistos, tornando-o escasso e com um enorme valor comercial. Um grande paradigma
da atualidade para os investigadores ´e como fazer a gest˜ao deste espectro de forma a
aumentar a capacidade e a utiliza¸c˜ao mais eficiente deste atrav´es de novas abordagens. O
radio cognitivo surge como uma das abordagens inovadoras. Estas redes permitem que
utilizadores secund´arios explorem o espectro n˜ao utilizado de tal forma que a interferˆencia
sobre os utilizadores prim´arios do espectro seja m´ınima ou nula, enquanto que estes ´ultimos
mantˆem os direitos legais de utilizar o seu espectro sempre que quiserem.
Este trabalho prop˜oe um novo modelo de an´alise de desempenho de um protocolo
Slot-ted ALOHA P-persistente de acesso ao meio numa rede de r´adio cognitivo composto por um ´unico utilizador prim´ario e v´arios utilizadores secund´arios com processos de chegada
de tr´afego dePoisson. Os secund´arios utilizam um modelo de dete¸c˜ao baseada em energia,
uma vez que a altera¸c˜ao do estado de atividade do prim´ario ´e independente dos outros
utilizadores. Os ciclos de opera¸c˜ao dos secund´arios est˜ao sincronizados e, quando estes
tˆem um pacote para transmitir e o meio est´a livre, enviam-no com probabilidade P. Ao contr´ario de outros modelos propostos, esta disserta¸c˜ao prop˜oe um novo modelo anal´ıtico
para o atraso e d´ebito dos secund´arios que considera a dura¸c˜ao do estado de atividade
do utilizador prim´ario no atraso. As express˜oes do modelo s˜ao validadas atrav´es de um
simulador cujos valores s˜ao obtidos sob v´arias condi¸c˜oes. Esta tese estuda o impacto da
otimiza¸c˜ao do valor P para duas diferentes configura¸c˜oes de rede: o valor P ´otimo quando
´e conhecido o n´umero de secund´arios e quando o n´umero e carga s˜ao conhecidos.
Palavras Chave: R´adio cognitivo; Slotted ALOHA P-persistente motiva¸c˜ao;
The overgrowth of wireless networks and devices have led to an increased demand for
spectrum. Given the limitated available frequency spectrum, the current management
po-licies cannot accomodate this increasing number of new networks and devices. Therefore,
innovative approaches are being investigated. One of these approaches is the Cognitive
Radio networks. These networks let opportunistic users exploit unused spectrum in such
a way that they do not cause interference to the licensed users, while assuring that the
latter users keep the legacy rights on the usage of their spectrum.
In this work, we propose a new performance analytical model of a P-persistent Slotted
ALOHA medium access protocol in a radio cognitive network composed by a single
pri-mary user’s transmitter and several secondary users with Poisson traffic. An energy-based
sensing model is considered, since primary user changes his activity state independently of
the secondary users. The last ones run a synchronized sensing-access operation cycle and
when they have a packet to transmit and the channel is sensed free, they access the data
slots with probability P. Unlike the other existing models, we propose a new analytical model for the secondary users’ delay and throughput which considers the effect of the
primary user’s ativity state duration. In addition, all the model expressions are validated
by a simulator whose results are obtained under different network scenarios. This
disserta-tion also studies the impact of theP value and proposes an optimization for two different context configurations: the optimal P value when only the number of secondary users is
known, and when the number and load are known.
Keywords: Cognitive radio; P-persistent Slotted ALOHA; Analytical
perfor-mance evaluation; Secondary network optimization.
AP Access Point
AWGNAdditive White Gaussian Noise
CDMACode-Division Multiple Access
CRCognitive Radio
CR-ALOHACognitive Radio Slotted ALOHA
CR-CSMACognitive Radio CSMA
CSMACarrier Sense Multiple Access
FCFSFirst-Come First-Served
GDBGeolocation Data Base
IEEEInstitute of Electrical and Electronics Engineers
ISM Industrial, Scientific and Mecidal
MACMedium Access Control
MPRMulti Packet Reception
PUPrimary User
PSDPower Spectral Density
RCR´adio Cognitivo
SUSecondary User
SNRSignal-to-Noise Ratio
SPR Single Packet Reception
TDMATime-Division Multiple Access
WLANWireless Local Area Network
UHFUltra High Frequency
Agradecimentos iii
Resumo v
Abstract vii
Gloss´ario ix
1 Introdu¸c˜ao 1
1.1 Introdu¸c˜ao . . . 1
1.2 Motiva¸c˜ao . . . 3
1.3 Objetivos e Contribui¸c˜oes . . . 3
1.3.1 Objetivos . . . 3
1.3.2 Contribui¸c˜oes . . . 4
1.4 Estrutura da Disserta¸c˜ao . . . 4
2 Trabalho relacionado 7 2.1 Spectrum sensing em R´adio Cognitivo . . . 7
2.1.1 Dimens˜oes de Sensing no R´adio Cognitivo . . . 8
2.1.2 M´etodos de dete¸c˜ao da ocupa¸c˜ao do meio . . . 10
2.1.3 M´etodos de sensing para R´adio Cognitivo . . . 11
2.2 Protocolos MAC em R´adio Cognitivo . . . 16
2.2.1 Protocolos centralizados vs protocolos distribu´ıdos . . . 17
2.2.2 M´etodos de acesso . . . 19
2.3 Protocolos MAC de R´adio Cognitivo com canal ´unico . . . 20
2.3.1 Protocolo Slotted Cognitive Radio ALOHA (CR-ALOHA) . . . 20
2.3.2 ProtocoloCognitive Radio CSMA (CR-CSMA) . . . 23
2.3.3 ProtocoloSlotted ALOHA P-persistente . . . 25
2.3.4 Compara¸c˜ao entre os protocolos . . . 27
3 Descri¸c˜ao do modelo 29 3.1 Descri¸c˜ao do Sistema . . . 29
3.1.1 Comportamento do utilizador prim´ario . . . 30
3.2 Modela¸c˜ao do sistema . . . 34
3.2.1 Primeira abordagem - Modela¸c˜aoslot a slot . . . 34
3.2.2 Segunda abordagem - Modela¸c˜ao de tempo de PU . . . 40
3.2.3 Terceira abordagem - modela¸c˜ao de tempo de PU e de erros . . . 48
3.3 Otimiza¸c˜ao do Modelo . . . 55
4 Desempenho do sistema 59 4.1 Implementa¸c˜ao do simulador . . . 59
4.1.1 Modelo geral do simulador . . . 59
4.1.2 Parˆametros iniciais do sistema . . . 60
4.1.3 Gera¸c˜ao aleat´oria da chegada de pacotes . . . 61
4.1.4 Controlador do avan¸co do tempo . . . 62
4.1.5 Resultados da simula¸c˜ao . . . 63
4.2 An´alise da varia¸c˜ao de P . . . 64
4.2.1 An´alise dePQE . . . 65
4.2.2 An´alise do d´ebito . . . 65
4.2.3 An´alise do atraso m´edio de pacotes . . . 67
4.3 An´alise do desempenho . . . 69
4.3.1 Escalabilidade do sistema . . . 69
4.3.2 Impacto do PU no sistema . . . 71
5 Conclus˜oes 75 5.1 Considera¸c˜oes Finais . . . 75
5.2 Trabalho Futuro . . . 76
Anexos 77
A Publica¸c˜oes 79
2.1 Oportunidades no dom´ınio da frequˆencia e tempo [YA09]. . . 8
2.2 Oportunidades no dom´ınio do espa¸co geogr´afico [YA09]. . . 9
2.3 Oportunidades no dom´ınio dos c´odigos. . . 10
2.4 Oportunidades no dom´ınio do ˆangulo de transmiss˜ao. . . 10
2.5 Compara¸c˜ao entre m´etodos de sensing [YA09]. . . 16
2.6 Classifica¸c˜ao dos protocolos CR-MAC [CC09]. . . 17
2.7 Modelo da rede CR de [CLMW11]. . . 20
2.8 Estrutura da trama MAC do Slotted CR-ALOHA . . . 21
2.9 Topologia da rede do Slotted CR-ALOHA [HYS12]. . . 26
2.10 Slotted ALOHA para osPUs [HYS12]. . . 26
3.1 Trama de um SU. . . 30
3.2 Cadeia de Markov do comportamento do PU. . . 31
3.3 Dois cen´arios poss´ıveis na altera¸c˜ao de estados doPU. . . 32
3.4 Valor instantˆaneo e valor m´edio do n´umero de pacotes na fila de espera ao longo do tempo. . . 37
3.5 Resultados da probabilidade da fila de espera estar vazia obtidos com o modelo e com o simulador. . . 39
3.6 D´ebito porSU obtido com o modelo e com o simulador. . . 39
3.7 Agrega¸c˜ao de slots com PU ativo na segunda abordagem. . . 40
3.8 Slots com PU ativo e inativo. Representa¸c˜ao de τ0 e τ1. . . 43
3.9 Resultados do d´ebito obtidos com o modelo e com o simulador. . . 47
3.10 Resultados da probabilidade da fila de espera estar vazia obtidos com o modelo e com o simulador. . . 47
3.11 Resultados do atraso m´edio por pacote obtidos com o modelo e com o simulador. . . 48
3.12 Resultados da probabilidade da fila de espera estar vazia obtidos do modelo e do simulador em fun¸c˜ao deP. . . 49
3.13 PQE em fun¸c˜ao da carga para o modelo e o simulador. . . 54
3.14 Resultados do d´ebito obtidos do modelo e do simulador. . . 54 3.15 Resultados do atraso m´edio de um pacote obtidos do modelo e do simulador. 55
3.16 Resultados do d´ebito m´aximo do sistema em fun¸c˜ao de J do modelo. . . 56 3.17 D´ebito m´edio medido com o modelo em fun¸c˜ao de P para Jλ < S∗. . . 57 3.18 Atraso m´edio de um pacote medido pelo modelo em fun¸c˜ao de P paraJλ < S∗. 58
4.1 M´odulos do simulador. . . 60 4.2 Gera¸c˜ao de pacotes. . . 62 4.3 Exemplo do controlador de tempo e ilustra¸c˜ao dos instantes em que ocorrem
os eventos. . . 64 4.4 PQE em fun¸c˜ao de P. Impacto da varia¸c˜ao de λ nos valores de PQE para
J = 2. . . 65 4.5 PQE em fun¸c˜ao de P. Impacto da satura¸c˜ao do sistema nos valores de
PQE. Resultados vermelho e verde referentes a J = 3. Os restantes foram simulados para J = 2. . . 66 4.6 D´ebito em fun¸c˜ao de P. Impacto da varia¸c˜ao de λ nos valores do d´ebito
para J = 2. . . 66 4.7 D´ebito em fun¸c˜ao de P. Impacto da satura¸c˜ao do sistema nos valores do
d´ebito. . . 67 4.8 Atraso m´edio em fun¸c˜ao de P. Impacto da varia¸c˜ao de λ nos valores do
atraso m´edio para J = 2. . . 68 4.9 Atraso em fun¸c˜ao de P. Impacto da satura¸c˜ao do sistema nos valores do
atraso m´edio. . . 68 4.10 PQE em fun¸c˜ao de λJ. Impacto da varia¸c˜ao deJs nos valores dePQE. . . . 69 4.11 D´ebito em fun¸c˜ao deJλ. Impacto da varia¸c˜ao de J nos valores do d´ebito. . 70 4.12 Atraso m´edio em fun¸c˜ao de λJ. Impacto da varia¸c˜ao de Js nos valores do
atraso m´edio. . . 71 4.13 PQE em fun¸c˜ao de λ. Impacto da varia¸c˜ao de PU nos valores de PQE. . . . 72 4.14 D´ebito em fun¸c˜ao deλ. Impacto da varia¸c˜ao dePU nos valores do d´ebito. . 72 4.15 Atraso m´edio em fun¸c˜ao de λ. Impacto da varia¸c˜ao de PU nos valores do
2.1 Compara¸c˜ao entre os trˆes protocolos. . . 28
3.1 Parˆametros de configura¸c˜ao da 1➟ abordagem. . . 38
3.2 Parˆametros de configura¸c˜ao da 2➟ abordagem. . . 46
3.3 Parˆametros de configura¸c˜ao da 3➟ abordagem. . . 53
3.4 S´ıntese das abordagens. . . 55
3.5 Parˆametros de configura¸c˜ao da figura 3.16. . . 56
3.6 Parˆametros de configura¸c˜ao da figura 3.17 e 3.18. . . 57
4.1 Parametriza¸c˜ao de configura¸c˜ao da varia¸c˜ao de P. . . 64
4.2 Parametriza¸c˜ao de configura¸c˜ao da escalabilidade do sistema. . . 69
4.3 Parametriza¸c˜ao de configura¸c˜ao do impacto do PU no sistema. . . 71
Introdu¸c˜
ao
1.1
Introdu¸c˜
ao
Ao longo dos ´ultimos anos, o mundo presenciou um crescimento acelerado do n´umero
de redes e aparelhos sem fios. Atualmente, quase todas as casas, locais p´ublicos ou
ins-tala¸c˜oes governamentais possuem redes sem fios que tˆem a capacidade de trabalhar com
v´arios aparelhos ao mesmo tempo. Estas redes possibilitam a transferˆencia de dados na
rede local e na Internet, assim como o acesso a outros servi¸cos e, portanto, tˆem um papel
important´ıssimo na nossa sociedade [DSB12]. Este aumento de utiliza¸c˜ao e a necessidade
de maiores d´ebitos levou ao aumento da utiliza¸c˜ao de espectro eletromagn´etico, tornando-o
escasso e com um enorme valor comercial.
Enquanto os gr´aficos de aloca¸c˜ao de frequˆencia divulgam que praticamente todas as
bandas de frequˆencia j´a est˜ao atribu´ıdas, estudos revelam que as estrat´egias de aloca¸c˜ao
est´atica tradicional de espectro provocam buracos temporais e geogr´aficos [DSB12] no uso
do espectro nas bandas licenciadas. Al´em disso, nestes ´ultimos anos, as bandas industriais,
cient´ıficas e m´edicas (ISM) n˜ao licenciadas tˆem permitido o desenvolvimento de tecnologias
como o Wireless Fidelity (WiFi), o Bluetooth, telefones sem fios, etc. O grande sucesso
destas bandas deu origem ao problema da coexistˆencia de sistemas heterog´eneos que podem
interferir entre si.
O R´adio Cognitivo (RC) surge como uma forma de melhorar o acesso e a gest˜ao de
espectro tanto nas bandas licenciadas como nas bandas n˜ao licenciadas. Esta tecnologia
procura oferecer uma chance de acesso aos utilizadores oportunistas nas bandas licenciadas
do espetro, sem que estes interfiram com a comunica¸c˜ao dos utilizadores licenciados.
Atrav´es das fun¸c˜oes doRC, as redes de utilizadores secund´arios realizam uma
monito-riza¸c˜ao do meio, tamb´em conhecida comosensing, para identificar qualquer oportunidade
de espectro em que podem transmitir, de forma a assegurar o n´ıvel de prote¸c˜ao exigido
pelos utilizadores licenciados. A partir da utiliza¸c˜ao dosensing, as redes de r´adio cognitivo
conseguem obter uma amostra do meio que as rodeia e, com base nesta amostra, utilizar
espetro que seria desperdi¸cado para proveito pr´oprio.
Atualmente, existem diversos protocolos de acesso ao meio propostos j´a adaptados a
redes de r´adio cognitivo. Por norma, ´e necess´ario efetuar o sensing do meio para
verifi-car que n˜ao se afeta a transmiss˜ao do utilizador licenciado, antes de qualquer utilizador
oportunista aceder ao meio. Visto que a maioria dos n´os das redes cognitivas n˜ao tem a
ca-pacidade de fazer o sensing e transmitir ao mesmo tempo, grande parte dos protocolos de
acesso ao meio realizam umsensing peri´odico para manterem a informa¸c˜ao sobre o estado
do meio atualizada. Desta forma, quando um utilizador licenciado inicia uma transmiss˜ao,
os utilizadores oportunistas tˆem a possibilidade de evacuar o canal rapidamente.
Este trabalho prop˜oe um modelo anal´ıtico alternativo para o desempenho de um dos
diversos protocolos j´a existentes para redes cognitivas: o protocolo Slotted ALOHA P
-persistente. Esta rede ´e constitu´ıda por um utilizador licenciado e v´arios oportunistas.
Os ´ultimos contˆem uma fila de espera onde podem armazenar pacotes para que, caso o
meio esteja ocupado, possam transmiti-los mais tarde, assim que este estiver livre. Como
tal, ´e modelado o d´ebito e o atraso m´edio de pacotes de um utilizador oportunista,
con-siderando que este utiliza uma abordagem de sensing baseado em energia. Al´em disso, o
modelo cont´em uma sec¸c˜ao de otimiza¸c˜ao do valor de acesso ao meio P, com o objetivo de
maximizar o aproveitamento do meio n˜ao utilizado pela rede prim´aria, sem que esta seja
prejudicada. Por fim, os resultados obtidos atrav´es da modela¸c˜ao da rede s˜ao comparados
aos de um simulador com o intuito de os validar.
Como a evolu¸c˜ao da tecnologia tem a tendˆencia natural de exigir cada vez mais
eficiˆencia na utiliza¸c˜ao do espectro para poder acompanhar o aumento do n´umero de
apa-relhos, ´e prov´avel que as redes de r´adio cognitivo sejam do interesse dos sectores industrial
1.2
Motiva¸c˜
ao
As carater´ısticas de propaga¸c˜ao das bandas de opera¸c˜ao da televis˜ao s˜ao muito
de-sej´aveis e convenientes para muitos servi¸cos de transmiss˜ao sem fios. Estas bandas residem
abaixo da frequˆencia de 1 GHz, onde a obstru¸c˜ao material ´e menos prejudicial em rela¸c˜ao
`
as altas frequˆencias, permitindo cobertura sem linha de vista e apresentando vantagens de
path loss sobre as bandas ISM. A ocupa¸c˜ao do espectro eletromagn´etico reduziu-se com
a transi¸c˜ao da televis˜ao anal´ogica para a digital, vagando certas bandas na gama very
high frequency (VHF) e ultra high frequency (UHF). Consequentemente, surgiram duas
normas de r´adio cognitivo que aproveitam este espectro: oIEEE 802.11af [FGK+13b] e o
IEEE 802.22 [SCL+09b].
O IEEE 802.22 ´e um protocolo baseado em r´adio cognitivo que tem o objetivo de
levar `as zonas rurais o acesso a banda larga. Esta norma tem um alcance de 17 a 30 km
desde a esta¸c˜ao base at´e ao utilizador [SCL+09b]. A norma 802.11af tem o objetivo de
aumentar o alcance do wi-fi at´e 5km, sem a utiliza¸c˜ao de mais intra-estruturas, atrav´es da
utiliza¸c˜ao das bandas de TV e de t´ecnicas de r´adio cognitivo [FGK13a]. As duas normas
utilizam uma entidade central que coordena a rede dos utilizadores oportunistas com a
ajuda de uma estrutura de dados. Esta estrutura ou base de dados cont´em informa¸c˜ao
da atividade dos utilizadores licenciados e dados e parˆametros de transmiss˜ao necess´arios
para aceder `a rede.
Para al´em das t´ecnicas baseadas em bases de dados, tamb´em ´e poss´ıvel definir outros
protocolos baseados unicamente em t´ecnicas de monitoriza¸c˜ao local (sensing) do canal.
Entre elas, pode-se considerar a utiliza¸c˜ao de um protocolo Slotted-Aloha P-persistente para terminais com um ´unico r´adio para coordenar o acesso ao espetro deixado livre pelos
utilizadores licenciados.
1.3
Objetivos e Contribui¸c˜
oes
1.3.1 Objetivos
Esta disserta¸c˜ao tem como objetivo desenvolver um modelo de desempenho para uma
O objetivo inclui o desenvolvimento de um modelo anal´ıtico para o desempenho do
protocolo Slotted Aloha P-persistente numa rede cognitiva, que considere o desempenho do mecanismo de sensing. Tamb´em inclui o desenvolvimento de um simulador, que
per-mita avaliar o desempenho do sistema e validar a precis˜ao do modelo. Com os resultados
do simulador, pretende-se compar´a-los aos do modelo anal´ıtico e analis´a-los face `a
proba-bilidade da fila de espera estar vazia, ao d´ebito do sistema e ao atraso m´edio por pacote.
Numa ´ultima fase, procura-se a configura¸c˜ao ´otima para o sistema. O objetivo ´e
encon-trar o valor de P ´otimo que maximiza o d´ebito do sistema, ou para uma carga fixa, que minimiza o atraso m´edio por pacote.
1.3.2 Contribui¸c˜oes
Esta disserta¸c˜ao analisa a utiliza¸c˜ao de um protocolo Slotted Aloha P-persistente numa rede cognitiva. As principais contribui¸c˜oes s˜ao:
❼ Um modelo anal´ıtico de desempenho para o sistema que modela o d´ebito e atraso;
❼ Um simulador do sistema que inclui a modela¸c˜ao dosensing e da dinˆamica dos n´os;
❼ A determina¸c˜ao da configura¸c˜ao ´otima do sistema para maximizar o d´ebito ou para
minimizar o atraso quando n˜ao est´a saturado.
Por fim, os resultados do trabalho contribu´ıram para uma publica¸c˜ao no workshop
IEEE SCAN 2015. O artigo referido encontra-se inclu´ıdo no Apˆendice A.
1.4
Estrutura da Disserta¸c˜
ao
A disserta¸c˜ao encontra-se dividida em cinco cap´ıtulos e um apˆendice. No cap´ıtulo
2 s˜ao apresentados alguns conceitos j´a desenvolvidos na ´area de r´adio cognitivo. ´E feito
um levantamento geral de m´etodos para a dete¸c˜ao de espectro e aborda-se o tema dos
protocolos de controlo de acesso ao meio (MAC) nas redes de r´adio cognitivo. S˜ao
apre-sentados tamb´em trˆes sistemas de r´adio cognitivo utilizando protocolos com carater´ısticas
semelhantes ao protocolo analisado.
A terceira parte desta disserta¸c˜ao descreve detalhadamente o sistema proposto, bem
modelos interm´edios e o modelo final proposto, discutindo-se a validade das aproxima¸c˜oes
consideradas em cada um. No final do cap´ıtulo estuda-se a otimiza¸c˜ao do desempenho do
sistema.
O cap´ıtulo 4 descreve de uma forma detalhada o simulador utilizado para validar o
modelo te´orico. Este cap´ıtulo ´e dividido em v´arias subsec¸c˜oes. Cada sec¸c˜ao caracteriza um
modulo do simulador. Al´em disso, este cap´ıtulo tamb´em cont´em a an´alise dos resultados
obtidos atrav´es do modelo te´orico e a compara¸c˜ao entre estes resultados e os valores das
simula¸c˜oes. Esta parte analisa os valores ´otimos do modelo em fun¸c˜ao ao d´ebito, ao atraso
m´edio por pacote e `a probabilidade das filas dos utilizadores oportunistas estarem vazias,
assim como investiga o comportamento do sistema face `a escalabilidade e `a atividade do
utilizador licenciado. No final, estes resultados s˜ao comparados com os modelos descritos
no cap´ıtulo 2.
O cap´ıtulo 5 resume as conclus˜oes obtidas neste trabalho, apontando algumas linhas
de investiga¸c˜ao para trabalho futuro.
Por fim, o apˆendice A contˆem o artigo publicado no Workshop mencionado nas
Trabalho relacionado
As redes de RC s˜ao redes dinamicamente reconfigur´aveis que se adaptam ao
ambi-ente envolvambi-ente, permitindo que os seus aparelhos possam explorar oportunisticamambi-ente
as por¸c˜oes de espectro que os utilizadores de outras redes n˜ao utilizam. Estes ´ultimos
utilizadores s˜ao licenciados, isto ´e, tˆem permiss˜ao para transmitir em certas bandas de
frequˆencia. Os utilizadores licenciados tamb´em podem ser denominados de Utilizadores
Prim´arios (PU) e n˜ao est˜ao cientes dos comportamentos cognitivos. Por outro lado, os
uti-lizadores oportunistas s˜ao chamados de Utiuti-lizadores Secund´arios (SU) e s˜ao tipicamente
n˜ao licenciados, portanto tˆem a responsabilidade de n˜ao interferir com as transmiss˜oes dos
PUs visto que estes ´ultimos tˆem uma prioridade maior de acesso ao meio. ´E importante
referir que os SUs tˆem de ser capazes de sentir o meio envolvente, de modo a detetar ou
n˜ao a ocupa¸c˜ao do espectro.
Este cap´ıtulo introduz as duas principais fun¸c˜oes do RC: a dete¸c˜ao de transmiss˜oes
e o acesso ao meio. S˜ao apresentados os mecanismos de sensing mais conhecidos a n´ıvel
f´ısico assim como os protocolos de controlo de acesso ao meio (MAC) para redes de RC e
as suas classifica¸c˜oes. Por fim, s˜ao apresentados e comparados alguns protocolosMAC de
r´adio cognitivo.
2.1
Spectrum sensing
em R´
adio Cognitivo
A dete¸c˜ao do meio ´e um dos pontos mais importantes numa rede de r´adio cognitivo,
pois ´e desta forma que osSUs encontram as oportunidades de acesso.
2.1.1 Dimens˜oes de Sensing no R´adio Cognitivo
A oportunidade de acesso decorre de uma banda de frequˆencias que est´a desocupada,
num determinado tempo e numa determinada ´area geogr´afica. Estas oportunidades s˜ao
habitualmente exploradas em trˆes dimens˜oes do espectro eletromagn´etico: na frequˆencia,
no tempo e no espa¸co. Al´em destas trˆes dimens˜oes, tamb´em ´e poss´ıvel obter oportunidades
de explora¸c˜ao de espectro atrav´es de c´odigos ortogonais e ˆangulos/dire¸c˜ao de emiss˜ao.
No entanto, os algoritmos convencionais de dete¸c˜ao do meio n˜ao tˆem a capacidade de
detetar sinais transmitidos pelos PUs atrav´es de espalhamento e saltos na frequˆencia ou
no tempo. Assim, ao analisar os c´odigos ortogonais, seria poss´ıvel criar novos m´etodos de
dete¸c˜ao de espectro com a capacidade de encontrar por¸c˜oes de espectro livre. Do mesmo
modo, os sinais transmitidos atrav´es de antenas direcionais podem n˜ao ser detetados pelos
algoritmos convencionais porque ´e assumido que osPUs e/ou osSUs transmitem em todas
as dire¸c˜oes. Por outro lado, com avan¸cos recentes na tecnologia de multi-antenas, atrav´es
da transmiss˜ao combeamforming (forma¸c˜ao de feixe), tornou-se vi´avel v´arios utilizadores
comunicarem no mesmo canal, ao mesmo tempo e na mesma ´area geogr´afica [YA09]. Desta
forma, surgiram novas oportunidades para os SUs utilizarem a banda sem interferir com
osPUs.
Assim, ´e poss´ıvel dividir o acesso ao meio nas v´arias dimens˜oes mencionadas em cima.
Estas v˜ao ser analisadas de seguida [YA09]:
❼ Frequˆencia - Os SUs exploram as oportunidades no dom´ınio da frequˆencia. As
oportunidades nesta dimens˜ao indicam que as bandas n˜ao est˜ao todas ocupadas ao
mesmo tempo e que algumas podem estar dispon´ıveis para uso oportunista.
❼ Tempo- Na mesma banda, tamb´em h´a oportunidades de tempo, isto ´e, uma banda
de frequˆencia n˜ao ´e utilizada continuamente; podem existir espa¸cos de tempo onde
esta por¸c˜ao de banda estar´a dispon´ıvel e poder´a ser explorada.
❼ Espa¸co geogr´afico - Baseando-se na posi¸c˜ao geogr´afica (latitude, longitude e
al-titude) e distˆancia dos PUs, os utentes das redes de r´adio cognitivo tiram proveito
da atenua¸c˜ao do sinal por path loss (desvanecimento) para reutilizarem as bandas
ocupadas pelosPUs. A ocupa¸c˜ao do canal ´e determinada pelo n´ıvel de interferˆencia
no canal num determinado local e num determinado per´ıodo. A ausˆencia de
inter-ferˆencia significa que n˜ao existe nenhuma transmiss˜ao de PUs numa determinada
´ area.
Figura 2.2: Oportunidades no dom´ınio do espa¸co geogr´afico [YA09].
❼ C´odigos- ´E poss´ıvel realizar transmiss˜oes simultˆaneas sem interferir com as
trans-miss˜oes dos PUs utilizando c´odigos ortogonais. De real¸car que ´e necess´ario existir
uma sincroniza¸c˜ao entre osSUs e os PUs.
❼ Angulo de transmiss˜ˆ ao - Para explorar as oportunidades nos ˆangulos de
trans-miss˜ao, osSUs tˆem que estar cientes da localiza¸c˜ao dosPUs assim como da dire¸c˜ao
do seu feixe de transmiss˜ao. Assim, os utentes cognitivos podem transmitir
in-forma¸c˜ao simultaneamente sem causar interferˆencia aos PUs, visto que transmitir˜ao
Figura 2.3: Oportunidades no dom´ınio dos c´odigos.
Figura 2.4: Oportunidades no dom´ınio do ˆangulo de transmiss˜ao.
2.1.2 M´etodos de dete¸c˜ao da ocupa¸c˜ao do meio
´
E poss´ıvel verificar a transmiss˜ao de umPU atrav´es da utiliza¸c˜ao de v´arios m´etodos
que podem ser classificados em trˆes tipos [SKMK10]:
❼ Dete¸c˜ao do sinal dos PUs ousensing do meio;
❼ Dete¸c˜ao debeacons auxiliares;
❼ Utiliza¸c˜ao de bases de dados de geolocaliza¸c˜ao dos PUs (GDB).
O primeiro tipo de dete¸c˜ao da ocupa¸c˜ao do meio ´e o que tem maior relevˆancia para
este documento porque a dete¸c˜ao do meio do modelo proposto ´e baseada neste m´etodo.
Assim, o primeiro m´etodo ´e abordado com grande detalhe na sec¸c˜ao 2.1.3.
No segundo tipo de dete¸c˜ao da atividade dos prim´arios, s˜ao implementados
trans-missores de beacons na localiza¸c˜ao dos PUs. Estes transmissores emitem periodicamente
Deste modo, garante-se aosPUsde baixa potˆencia uma maior prote¸c˜ao face a interferˆencias
de SUs (problema do n´o escondido, sec¸c˜ao 2.2.2). No entanto, como os transmissores de
beacons s˜ao infraestruturas fixas, n˜ao ´e vi´avel serem implementadas em redes onde os
PUs s˜ao m´oveis. Al´em disso, a altera¸c˜ao de todos os transmissores dosPUs parabeacons
auxiliares traria um custo excessivo.
Em alternativa `a dete¸c˜ao do sinal dos prim´arios ou beacons auxiliares, ´e poss´ıvel
utilizar bases de dados de geolocaliza¸c˜ao para reconhecer a presen¸ca de um PU num
determinado canal. Assim, estas bases de dados tˆem o prop´osito de fornecer aos SUs os
dados e parˆametros necess´arios para que possam ocupar os respetivos canais do meio sem
que causem interferˆencia aos prim´arios. Esta informa¸c˜ao cont´em os canais dispon´ıveis para
acesso oportunista, bem como o n´ıvel de potˆencia do sinal de transmiss˜ao dosSUs. Assim
sendo, ´e imprescind´ıvel que os SUs estejam equipados com GPS para que possam aceder
`
as GDBs e que se saiba, a priori, a localiza¸c˜ao dos utilizadores prim´arios [GBE+08].
2.1.3 M´etodos de sensing para R´adio Cognitivo
Esta sec¸c˜ao aborda o grupo de m´etodos desensingou dete¸c˜ao de espectro. Os m´etodos
de dete¸c˜ao de espectro ainda est˜ao na fase inicial de desenvolvimento, por´em, j´a foi
desen-volvida alguma diversifica¸c˜ao na forma de identificar a presen¸ca de transmiss˜oes prim´arias.
Em baixo, s˜ao apenas abordados alguns dos principais m´etodos de sensing do RC.
Sensing baseado na dete¸c˜ao de energia
A abordagem de dete¸c˜ao de energia ´e o m´etodo mais comum de dete¸c˜ao de
oportuni-dades de acesso por causa da sua baixa complexidade de implementa¸c˜ao e computacional
[YA09]. Al´em disso, os recetores tˆem a vantagem de n˜ao necessitarem de qualquer
conhe-cimento do sinal dos PUs. Este m´etodo examina o n´ıvel de energia no meio durante um
determinado per´ıodo e compara-o com um determinado valor de limiar, γ, que depende do ru´ıdo no meio envolvente [Urk67]. A m´etrica para a decis˜ao da dete¸c˜ao do n´ıvel de
energia do meio pode ser escrita como
M = N
X
n=0
A decis˜ao de ocupa¸c˜ao do espectro ´e obtida atrav´es da compara¸c˜ao do valor de M com o
valor γ.
O sinal examinado pode resumir-se a duas hip´oteses:
H0 :y(n) =w(n), (2.2)
H1 :y(n) =s(n) +w(n), (2.3)
onde s(n) ´e o sinal detetado, w(n) ´e o ru´ıdo branco Gaussiano (AWGN) detetado e n ´e o ´ındice de amostras. De notar que se s(n) = 0, ent˜ao o sinal detetado ´e constitu´ıdo apenas por ru´ıdo, n˜ao existindo nenhuma transmiss˜ao de sinal de PUs no canal, ou seja,
este cen´ario corresponde `a hip´otese H0. Por outro lado, um cen´ario onde um PU est´a a utilizar o canal corresponde `a hip´oteseH1.
O desempenho deste algoritmo ´e afetado por duas probabilidades: a probabilidade de
dete¸c˜ao PD e a probabilidade de falso alarme PF A. PD ´e a probabilidade de dete¸c˜ao do sinal do PU quando esta transmiss˜ao est´a realmente a ser transmitida. Deste modo, ´e do
interesse da rede cognitiva que oPD seja o mais elevado poss´ıvel. Esta probabilidade pode ser formulada da seguinte forma:
PD =P r(M > γ|H1), (2.4)
ou seja, ´e a probabilidade da dete¸c˜ao do n´ıvel de energia ser maior que o limiarγ, quando existe um sinal de PU a ser transmitido no meio.
Por outro lado, PF A ´e a probabilidade do recetor considerar que detetou a trans-miss˜ao de um prim´ario quando, na verdade, n˜ao existe nenhum PU a transmitir nessas
frequˆencias. PF A ´e definido como
PF A =P r(M > γ|H0), (2.5)
O limiar de decis˜ao γ ´e selecionado para se obter o melhor ajuste entre PD e PF A. Para isso, ´e necess´ario conhecer o ru´ıdo e a potˆencia do sinal detetado. O ru´ıdo pode
ser estimado mas a potˆencia do sinal recebido ´e dif´ıcil de determinar, visto que este sofre
altera¸c˜oes com as carater´ısticas das transmiss˜oes em curso e com a distˆancia entre os
utilizadores secund´arios e prim´arios.
O ru´ıdo branco pode ser modelado atrav´es de uma vari´avel aleat´oria Gaussiana com
m´edia nula e variˆanciaσ2
w (w(n) =N(0, σw2) ). A modela¸c˜ao do sinals(n) tamb´em ´e feita atrav´es de vari´aveis aleat´orias Gaussianas de m´edia nula e variˆancia σ2
s, cujo valor reflete o desvanecimento do sinal no meio. A vari´avel aleat´oria M resulta da soma do quadrado
de vari´aveis Gaussianas, logo tem uma distribui¸c˜ao chi-quadrado com grau de liberdade
2N e por isso, pode ser modelada como:
M =
σ2 w
2 X22N H0, σ2
w+σ2 s
2 X22N H1
(2.6)
Este m´etodo de dete¸c˜ao ´e considerado o mais importante para este documento, visto
que tanto os protocolos analisados e comparados neste cap´ıtulo como o modelo da
dis-serta¸c˜ao utilizam o m´etodo de sensing baseado na dete¸c˜ao de energia.
Sensing baseado na forma de onda
´
E poss´ıvel realizar a dete¸c˜ao de espectro atrav´es da correla¸c˜ao do sinal recebido com
uma c´opia conhecida (padr˜ao conhecido) do pr´oprio [YA09]. Este processo s´o ´e aplic´avel
em redes com conhecimento de padr˜oes de sinal e ´e chamado desensing baseado na forma
de onda.
Considerando o sinal y(n) do m´etodo anterior, a m´etrica de decis˜ao dosensing baseado
na forma pode ser obtida atrav´es da seguinte express˜ao:
M = Re
" N X
n=1
y(n)s∗(n)
#
, (2.7)
onde y(n) ´e o sinal recebido e s∗(n) representa o conjugado do sinal enviado (padr˜ao
Tal como nosensing baseado em dete¸c˜ao de energia, conclui-se se existe ou n˜ao
trans-miss˜ao de utilizadores prim´arios atrav´es da compara¸c˜ao do valor da m´etrica com um valor
de limiar.
Sensing baseado em ciclo estacionariedade
As particularidades da ciclo estacionariedade s˜ao causadas pela periodicidade do sinal,
pela m´edia e pela auto-correla¸c˜ao e estas podem ser induzidas intencionalmente para
auxiliar a dete¸c˜ao de espectro [Gar91] [MBA+07].
A dete¸c˜ao baseada em ciclo estacionariedade ´e uma t´ecnica utilizada para detetar
transmiss˜oes de utilizadores prim´arios no meio envolvente atrav´es da explora¸c˜ao das
ca-rater´ısticas ciclo estacion´arias do sinal recebido [LKHP07]. Assim, em vez de densidade
espectral, a dete¸c˜ao do sinal num dado espectro utiliza a fun¸c˜ao de ciclo-correla¸c˜ao. Esta
fun¸c˜ao consegue diferenciar o ru´ıdo branco do sinal transmitido pelo utilizador prim´ario
devido ao facto do ru´ıdo ser estacion´ario e, por isso, este ter´a correla¸c˜ao nula quando
modulado com sinais ciclo estacion´arios [CB05]. Al´em disso, com esta t´ecnica ´e poss´ıvel
distinguir diferentes transmiss˜oes origin´arias de utilizadores prim´arios distintos.
Sensing baseado em identifica¸c˜ao de r´adio
´
E poss´ıvel obter um conhecimento total sobre as carater´ısticas do espectro atrav´es
da identifica¸c˜ao da tecnologia de transmiss˜ao utilizada pelos utilizadores prim´arios. Tal
conhecimento permite aos utilizadores de r´adio cognitivo ter uma maior adapta¸c˜ao ao meio
[YA06].
No sensing baseado em identifica¸c˜ao de r´adio, este conhecimento total ´e extra´ıdo do
sinal recebido. Com as carater´ısticas retiradas, ´e poss´ıvel descobrir a tecnologia utilizada
do utilizador prim´ario mais prov´avel. As carater´ısticas obtidas a partir do sensing
ba-seado em dete¸c˜ao de energia, por exemplo, s˜ao utilizadas para m´etodos de classifica¸c˜ao
[VFECH01] [MDV+01].
Assim, a finalidade desta t´ecnica de sensing ´e identificar a presen¸ca de algumas
Sensing utilizando filtros adaptados
Esta t´ecnica utiliza um filtro linear que maximiza o r´acio entre a potˆencia do sinal e a
potˆencia do ru´ıdo (SNR). A opera¸c˜ao do filtro adaptado ´e equivalente a fazer a convolu¸c˜ao
entre o sinal desconhecido e um espelho do sinal de referˆencia transladado no tempo
[Tur04].
Este m´etodo ´e conhecido como a melhor t´ecnica para detetar a transmiss˜ao de
utiliza-dores prim´arios quando ´e conhecidoa priorio sinal transmitido. A sua principal vantagem
´e o curto per´ıodo de tempo para atingir uma determinada probabilidade de falso alarme
ou de dete¸c˜ao quando comparada com os outros m´etodos j´a abordados. No entanto, ´e
exigido que os utilizadores de r´adio cognitivo fa¸cam a desmodula¸c˜ao dos sinais recebidos.
Consequentemente, ´e necess´ario um conhecimento perfeito sobre as carater´ısticas dos
si-nais dos utilizadores prim´arios. Al´em disso, como os utilizadores secund´arios precisam
de recetores para cada tipo de sinal recebido, a complexidade de implementa¸c˜ao destes
aparelhos de sensing torna-se pouco vi´avel. Por fim, os filtros adaptados tamb´em
conso-mem uma grande quantidade de potˆencia visto que os recetores est˜ao constantemente a
executar v´arios algoritmos de dete¸c˜ao.
Compara¸c˜ao entre os m´etodos de sensing
Nesta sec¸c˜ao s˜ao comparados os m´etodos de dete¸c˜ao de oportunidades de espectro
abordadas at´e agora, desde a sua complexidade at´e `a sua precis˜ao desensing (figura 3.3).
Quanto `a robustez de m´etodos, o sensing baseado na forma de onda consegue ser
mais robusto que as t´ecnicas baseadas em dete¸c˜ao de energia e ciclo estacionariedade
devido ao processamento coerente que surge do uso da componente determin´ıstica do sinal.
No entanto, ´e necess´ario existir informa¸c˜ao a priori das carater´ısticas dos utilizadores
prim´arios e estes devem transmitir padr˜oes conhecidos.
Por outro lado, quando um utilizador cognitivo se depara com um cen´ario em que n˜ao
existe a possibilidade de se conhecer as carater´ısticas dos utilizadores prim´arios, o ´unico
m´etodo adequado ´e a t´ecnica baseada em dete¸c˜ao de energia. Contudo, o ru´ıdo pode
n˜ao ser estacion´ario e a sua distribui¸c˜ao pode n˜ao ser conhecida e, por isso, ´e poss´ıvel
m´etodo tamb´em tem a desvantagem de sofrer de efeitos de filtros de banda base e de tons
adulterados [MMB07].
Contrariamente `a dete¸c˜ao de energia, o m´etodo baseado em ciclo estacionariedade tem
um bom desempenho na presen¸ca de interferˆencias de canais adjacentes ou co-canais, onde
o ru´ıdo n˜ao ´e estacion´ario [TCB07]. Em contrapartida, o desvanecimento do canal e a
vul-nerabilidade aosoffsets da amostragem do rel´ogio criam uma diminui¸c˜ao do desempenho
desta t´ecnica.
Por fim, para a elabora¸c˜ao desta disserta¸c˜ao, optou-se pela utiliza¸c˜ao dosensing
ba-seado em energia devido `a sua simplicidade e facilidade de implementa¸c˜ao.
Figura 2.5: Compara¸c˜ao entre m´etodos de sensing [YA09].
2.2
Protocolos
MAC
em R´
adio Cognitivo
O controlo de acesso ao meio tem uma grande importˆancia para as fun¸c˜oes de r´adio
cognitivo, principalmente na dete¸c˜ao de canais e partilha do espectro. Os protocolosMAC
permitem que m´ultiplos utilizadores partilhem os recursos de espectro existentes
determi-nando a ordem de acesso ao canal. Os protocolos MAC para r´adio cognitivo (CR-MAC)
surgiram inicialmente a partir de protocolos de redes ad-hoc. No entanto, os protocolos
CR-MAC s˜ao mais complexos porque tˆem funcionalidades de dete¸c˜ao de espectro
sofisti-cadas e requisitos de r´apida adaptabilidade, pois tˆem que evacuar o meio quando o PU
transmite. Os protocolos CR-MAC tˆem o objetivo de fornecer meios eficientes de dete¸c˜ao
de canal para determinar a sua ocupa¸c˜ao e partilhar o espectro entre outros
utilizadores priorit´arios [CC09].
Os protocolos CR-MAC podem ser divididos em dois grandes grupos: protocolos
para redes de RC centralizadas e para redes de RC distribu´ıdas (ou redes de RC Ad
Hoc). Dentro de cada um destes grupos, os protocolos para redes de RC ainda podem ser
classificadas como: protocolos de acesso aleat´orio, protocolos time-slotted ou protocolos
h´ıbridos.
Figura 2.6: Classifica¸c˜ao dos protocolos CR-MAC [CC09].
2.2.1 Protocolos centralizados vs protocolos distribu´ıdos
Os protocolos centralizados precisam, obrigatoriamente, de uma entidade central,
tal como uma esta¸c˜ao base, que gere as atividades da rede, coordena as opera¸c˜oes e
sincroniza os n´os. No entanto, a entidade central ´e est´atica e, geralmente, est´a `a distˆancia
de umhop (salto) dos utilizadores secund´arios m´oveis. Os n´os da rede enviam informa¸c˜ao
periodicamente sobre o seu estado atual (o tipo de dados que enviam ´e relativo e depende
do protocolo utilizado). Numa topologia centralizada, o n´ıvel de potˆencia de cada n´o
da rede ´e monitorizado pela entidade central com o prop´osito de controlar a potˆencia
de transmiss˜ao de todos os n´os secund´arios [MSR07]. Desta forma, ´e poss´ıvel reduzir
a interferˆencia entre n´os da rede secund´aria e da rede prim´aria e at´e reduzir a energia
a abordagem centralizada no RC fornece um benef´ıcio de total conhecimento da rede,
permitindo a possibilidade de desenvolver protocolos com uma eficiˆencia mais elevada.
[ZC08] sugere um protocoloMAC centralizado com uma utiliza¸c˜ao elevada de espetro para
controlo, oferecendo uma abordagem livre de colis˜oes e garantindo qualidade de servi¸co
atrav´es da troca de informa¸c˜ao entre os utilizadores secund´arios e a entidade central. No
entanto, as redes centralizadas tˆem uma grande desvantagem: a informa¸c˜ao precisa de ser
sempre enviada para a entidade central, processada e propagada, novamente, para todos
os n´os da rede. Desta forma, o tr´afego de controlo contribui para aumentar a carga no
meio sem fios, existindo o risco de se atingir a satura¸c˜ao, especialmente em redes com
muitos utilizadores; ou seja, os protocolos centralizados n˜ao s˜ao escal´aveis.
Por outro lado, os protocolos distribu´ıdos n˜ao possuem uma unidade central, pelo
que tˆem uma organiza¸c˜ao e desenvolvimento mais flex´ıveis. Desta forma, os protocolos
distribu´ıdos tˆem a vantagem de reagir `as mudan¸cas do meio rapidamente. Embora sejam
escal´aveis, osensing, a partilha de espectro e o acesso ao meio nestes protocolos s˜ao fun¸c˜oes
que precisam de um aumento de coopera¸c˜ao entre os vizinhos.
Os protocolos podem operar em sistemas de canal ´unico ou multi-canal. Nos sistemas
de canal ´unico as redes prim´aria e secund´aria coexistem na mesma banda de espectro.
Estes protocolos tˆem a desvantagem do seu d´ebito m´aximo obtido estar limitado. Por
outro lado, num sistema multi-canal, a rede secund´aria tem a possibilidade de aceder ao
meio atrav´es de um conjunto de canais. Este sistema tem a possibilidade de dispensar um
canal comum apenas para controlo, que contribui para a intera¸c˜ao e coordena¸c˜ao entre os
SUs da rede.
Em [MSR07], ´e proposto um protocolo distribu´ıdo chamado single radio adaptive
channel MAC. Neste protocolo, cada utilizador secund´ario guarda a frequˆencia dos canais
de rece¸c˜ao dos seus vizinhos atrav´es de uma comunica¸c˜ao cooperativa. Assim, sempre
que deseja comunicar com um n´o vizinho, transmite a informa¸c˜ao no canal de rece¸c˜ao do
respetivo recetor e recebe a resposta atrav´es de outra banda de frequˆencia.
Para finalizar, ´e fundamental clarificar que o tr´afego das redes com protocolos
centra-lizados n˜ao tem que ser necessariamente maior do que para as redes distribu´ıdas. Caso
distribu´ıdo e num protocolo centralizado, s˜ao geralmente necess´arias mais mensagens para
o protocolo distribu´ıdo (e.g. cap´ıtulo 7 em [Tan03]).
2.2.2 M´etodos de acesso
Foi referido anteriormente que, do ponto de vista de acesso, os protocolosMAC para
RC podem ser classificados em: acesso aleat´orio, baseados emslots de tempo e h´ıbridos.
Os protocolos MAC de acesso aleat´orio n˜ao precisam de sincroniza¸c˜ao entre os seus
utilizadores. Sempre que algum utilizador secund´ario pretende transmitir, este monitoriza
o meio primeiro. Se o canal n˜ao estiver ocupado, o utilizador acede ao meio.
Se, por outro lado, o canal estiver ocupado (tanto com transmiss˜oes secund´arias como
prim´arias), existem v´arias alternativas. O CSMA MAC 1-persistente ´e um exemplo de
um protocolo onde o utilizador continua a monitorizar o meio at´e que este vague e
trans-mite de imediato. Por norma, quando ocorrem colis˜oes entre transmiss˜oes de utilizadores
secund´arios, os SUs s´o voltam a monitorizar o canal e a transmitir ap´os um per´ıodo
de tempo aleat´orio. Numa abordagem alternativa, como o ALOHA, espera um tempo
aleat´orio antes de voltar a tentar.
Nos protocolos com acesso baseado em slots de tempo, a sincroniza¸c˜ao entre
utiliza-dores ´e obrigat´oria. Para a rede secund´aria, o tempo ´e dividido em slots tanto para o
per´ıodo de sensing como para o per´ıodo de transmiss˜ao. Ao contr´ario do que acontece
com os protocolos de acesso aleat´orio, nos protocolos baseados em slots de tempo, todos
osSUs da rede monitorizam o meio ao mesmo tempo. A norma 802.22 ´e um exemplo de
um protocolo baseado em slots de tempo atualmente implementado [SCL+09a].
Nos protocolos h´ıbridos, o per´ıodo de transmiss˜ao ´e parcialmente dividido em slots,
nos quais ocorre a sinaliza¸c˜ao de controlo. No entanto, o restante tempo de transmiss˜ao
´e acedido aleatoriamente, sem sincroniza¸c˜ao de tempo. O Opportunistic MAC [SZ12] ´e
um exemplo de um protocolo h´ıbrido que obriga os SUs a utilizarem dois transceivers,
um para um canal comum de controlo e outro para aceder a uma banda de transmiss˜ao.
O tempo ´e dividido em slots para a banda de espectro de transmiss˜ao, enquanto que o
canal comum de controlo opera parcialmente em slots para a fase de informa¸c˜ao, seguido
2.3
Protocolos MAC de R´
adio Cognitivo com canal ´
unico
Nesta sec¸c˜ao s˜ao analisados e comparados trˆes protocolos para redes deRC de canal
´
unico, ou seja, a rede prim´aria e a rede secund´aria utilizam o mesmo canal de
trans-miss˜ao. Os protocolos analisados incluem o protocolo Slotted Aloha p-persistente mais dois protocolos compar´aveis.
2.3.1 Protocolo Slotted Cognitive Radio ALOHA (CR-ALOHA)
Em [CLMW11], ´e apresentado um protocolo de acesso oportunista ao espectro
base-ado em Slotted ALOHA para uma rede de r´adio cognitivo. Este protocolo ´e distribu´ıdo
e o tempo ´e dividido em slots. ´E assumido que existe uma rede de SUs, que transmite
num ´unico canal partilhado com outra rede dePUs. A rede prim´aria ´e constitu´ıda apenas
por um transmissor e v´arios recetores e a rede secund´aria ´e formada por N SUs locali-zados dentro do alcance de transmiss˜ao da rede prim´aria. Dentro do alcance da rede dos
PUs, tamb´em se encontra um ponto de acesso secund´ario (SAP), capaz de comunicar com
os SUs para resolver os seus problemas de sincroniza¸c˜ao. Na figura 2.7 ´e apresentado o
modelo da rede.
Figura 2.7: Modelo da rede CR de [CLMW11].
Quando um PU inicia a transmiss˜ao, os SUs devem evacuar o canal dentro de um
deve conter uma fase de sensing Ts no in´ıcio da trama e uma fase de transmiss˜ao Td composta porM per´ıodos de transmiss˜ao (TP). CadaTP inclui um tempo de transmiss˜ao T e um atraso de propaga¸c˜ao Tp. O sensing efetuado pelos SUs da rede ´e baseado na energia do meio.
Figura 2.8: Estrutura da trama MAC doSlotted CR-ALOHA
Chen et al. [CLMW11] prop˜oe um modelo de desempenho para o protocolo Slotted
CR-ALOHA. Para a rede secund´aria, a carga gerada por cadaSU ´e modelada atrav´es de
uma distribui¸c˜ao de Poisson com uma taxa de gera¸c˜ao m´edia de λi pacotes porTP. Isto significa que o intervalo entre a gera¸c˜ao de pacotes segue uma distribui¸c˜ao exponencial
com m´edia λ1
i. Por outro lado, se se assumir que o tr´afego gerado ´e igual para toda a rede secund´aria, ent˜ao a carga total de pacotes (G) ´e de N λ.
Segundo os autores, os PUs e os SUs coexistem na mesma banda de espectro mas
a rede prim´aria n˜ao tem conhecimento da trama utilizada pelos SUs, pelo que existe a
possibilidade de ocorrerem quatro hip´oteses de comportamentos por parte doPU durante
cada trama do secund´ario:
❼ H0 - oPU mant´em-se inativo durante a fase de sensing;
❼ H1 - oPU mant´em-se ativo durante a fase de sensing;
❼ H2 - o PU mant´em-se inativo durante a fase de sensing mas acorda durante a fase de transmiss˜ao;
❼ H3 - oPU mant´em-se inativo durante toda a trama de SU.
No caso de algumSU n˜ao detetar o sinal do PU sobre H1 ou transmitir sobre H2, a rede secund´aria causa interferˆencia sobre a prim´aria. O parˆametro que mede este fen´omeno
evacuar rapidamente o canal quando um PU acorda. Este parˆametro chama-se fator de
agilidade. Este protocolo foi desenvolvido a partir do modelo Slotted ALOHA cl´assico e
difere apenas no tempo de acesso discreto e na obriga¸c˜ao da prote¸c˜ao da rede prim´aria. A
estrat´egia do m´etodoSlotted CR-ALOHA ´e a seguinte:
❼ Se um SU detetar que um utilizador prim´ario est´a inativo e se um pacote de dados
chegar durante oT P n´umeroM da trama anterior ou durante a dete¸c˜ao de espectro da trama atual, este ser´a enviado no in´ıcio do primeiroT P desta trama. Se o pacote chegar durante oT P n´umeroj, sendo que 1≤j < M, o pacote ser´a transmitido no pr´oximoslot.
❼ Se um SU detetar que existe um utilizador prim´ario ativo, qualquer pacote que
chegue dentro da trama atual ser´a bloqueado at´e ao final desta trama e ser´a, ent˜ao,
retransmitido ap´os um tempo de conten¸c˜ao aleat´orio.
❼ Qualquer transmiss˜ao de dados s´o ´e enviada com sucesso quando apenas um SU
transmite para um slot T P. Caso contr´ario, ocorre uma colis˜ao e os pacotes nela envolvidos s˜ao retransmitidos, ap´os um per´ıodo aleat´orio, para evitar que volte a
ocorrer outra colis˜ao.
❼ Qualquer chegada de pacotes dentro do ´ultimo T P (M) de uma trama ser´a proces-sada na pr´oxima trama.
No artigo [CLMW11], ´e proposta uma express˜ao para o c´alculo do d´ebito (S)
depen-dente do n´umero de SUs (N) e do tempo de sensing (t). Os autores apresentam um modelo paraPF A ePD onde assumem quePF A decresce linearmente comtmas quePD se mant´em constante, o que se mostrou em [CLMW13] que n˜ao ´e totalmente v´alido. Nestas
condi¸c˜oes, concluem que, para G ≤1 (N = 25 e N = 50), o sistema alcan¸ca um melhor desempenho quando t atinge o seu valor m´aximo (t = TS). Todavia, o d´ebito come¸ca a diminuir com o aumento deSUs (para N >50), provavelmente devido ao valor de janela de conten¸c˜ao usado. Para G≤1, valores reduzidos de PF A aumentam as oportunidades de transmiss˜ao e permitem alcan¸car um melhor desempenho. Na realidade, ao aumentar
o tempo de sensing reduz-se o tempo dispon´ıvel para transmitir, mas a normaliza¸c˜ao
agravam a carga do sistema, resultando em mais colis˜oes e provocando uma degrada¸c˜ao
do desempenho do sistema. Por outro lado, quando G > 1 e N > 50, ´e poss´ıvel manter o d´ebito constante utilizando o valor de sensing ´otimo t∗. Este trabalho mistura controlo de acesso com falso alarme; caso se tivesse estudado um parˆametro ajust´avel de acesso
(janela de conten¸c˜ao win), n˜ao seria necess´ario analisar este efeito secund´ario na gest˜ao da janela, que acaba por ter uma probabilidade de acesso efetiva de (1−PF A)/win.
Em [CLMW11] mostra-se que o atraso m´edio de cada pacote (D) tende a crescer com
o aumento da carga do sistema. Desta forma, D cresce linearmente para G ≤ 1 e sofre um crescimento acelerado para G > 1, pois o sistema entra numa zona de satura¸c˜ao. No entanto, os autores conseguem atenuar o crescimento de D atrav´es da utiliza¸c˜ao de
um valor ´otimo t∗. Como t∗ ´e menor do que TS, provoca uma redu¸c˜ao no evento de colis˜oes, tal como acontece no d´ebito. Estet∗ representa o melhor equil´ıbrio poss´ıvel entre o desempenho da opera¸c˜ao de sensing e a disponibiliza¸c˜ao de banda para transmiss˜ao de
dados.
Apesar do d´ebito e do atraso m´edio dependerem do valor da janela de conten¸c˜ao,
os autores n˜ao avaliam o modelo em fun¸c˜ao do seu valor, referem apenas que deve ser
suficientemente grande para que n˜ao hajam colis˜oes sucessivas. No entanto, este parˆametro
´e muito relevante, como se mostra nesta disserta¸c˜ao.
2.3.2 Protocolo Cognitive Radio CSMA (CR-CSMA)
O Carrier Sense Multiple Access (CSMA) 1-persistente ´e um protocolo de acesso
aleat´orio ao meio que procura evitar colis˜oes em redes de acesso m´ultiplo. Sempre que um
n´o pretende iniciar uma transmiss˜ao, verifica primeiro se o canal est´a isento de qualquer
transmiss˜ao (incluindo transmiss˜oes de redes secund´arias). Se o canal estiver ocupado, o
n´o monitoriza-o at´e que este se encontre livre e transmite imediatamente.
Em [CLMW09], ´e apresentado uma rede de RC baseada no protocolo CSMA
1-persistente. Mais uma vez, as redes prim´aria e secund´aria partilham o mesmo canal de
transmiss˜ao e a ´ultima n˜ao necessita de canal de controlo. O modelo do sistema ´e similar
2.7). Apesar deste protocolo ser baseado em CSMA, os autores indicam que todos osSUs
funcionam de um modo sincronizado entre eles, ou seja, este protocolo ´e considerado um
protocolo baseado em slots de tempo.
Tal como no Slotted CR-ALOHA, assim que oPU come¸ca a transmitir, osSUs devem
evacuar o canal dentro de Ts segundos. Portanto, a rede secund´aria faz sensing ao meio com um per´ıodo de pelo menosTs, o que exige uma implementa¸c˜ao em intervalos discretos. Al´em disso, cada trama Tf ´e constitu´ıda por uma fase de sensing de τmax segundos e de transmiss˜ao de Tt segundos. A fase de transmiss˜ao ´e constitu´ıda por M per´ıodos de transmiss˜ao (TPs) e cadaTP inclui um tempo de transmiss˜ao de um pacote T e um tempo
de propaga¸c˜ao do pacote Tp. A estrutura da trama ´e idˆentica `a do Slotted CR-ALOHA, representada na figura 2.8.
O m´etodo de sensing utilizado ´e a dete¸c˜ao de energia no meio. Utiliza-se Pnoc para denotar a probabilidade de umSU n˜ao ter colis˜oes com oPU numa trama. Pnoc deve ser mantido dentro de um valor de threshold Pnoc. Nesta condi¸c˜oes, a probabilidade de um SU detetar a transmiss˜ao do PU, Pd, deve ser fixada em Pd =P
1 N
noc. Por outro lado, os autores tamb´em deduzem a express˜ao para a probabilidade de falso alarme e esta decresce
continuamente em fun¸c˜ao do tempo desensing, para valores de Pd fixos.
Os autores prop˜oem um modelo para o desempenho de CR-CSMA em [CLMW09],
onde ´e assumido que a taxa de gera¸c˜ao de pacotes de cadaSU ´e dada por uma distribui¸c˜ao
de Poisson independente com uma m´edia deλpacotes porTP. Desta forma, a taxa total de tr´afego ´e dada por G = N λ. Cada TP ´e constitu´ıdo por m slots de tempo (ST) e ´e assumido que cada SU transmite apenas no in´ıcio de cada ST.
Posto isto, a estrat´egia da abordagem CR-CSMA´e semelhante `a abordagem tomada
pelo Slotted CR-ALOHA, distinguindo-se apenas num pormenor importante: se um SU
detetar que um utilizador prim´ario est´a inativo e se o pacote chegar durante oT P n´umero j, sendo que 1≤j < M, acontecer´a o seguinte:
❼ Se o canal estiver vago, o pacote ser´a transmitido logo no pr´oximo ST;
❼ Se o canal estiver ocupado, o respetivo n´o secund´ario monitoriza-o at´e que este esteja
desocupado, transmitindo assim no in´ıcio do primeiroST livre.
dedu¸c˜ao da express˜ao do d´ebito e do atraso m´edio de pacotes e constatam que os resultados
obtidos melhoram ligeiramente o d´ebito e o atraso m´edio de cada pacote face ao protocolo
da sec¸c˜ao 2.3.1. Esta melhoria de desempenho tem origem em dois motivos: i) neste
protocolo, quando o PU n˜ao ´e detetado, os SUs esperam at´e ao pr´oximo ST para tentar
transmitir os pacotes rec´em-chegados, enquanto que no protocoloSlotted CR-ALOHA, os
utilizadores secund´arios tˆem que aguardar pelo pr´oximo TP para tentar aceder ao canal;
ii) Adicionalmente, os SUs deste protocolo podem efetuar a dete¸c˜ao do meio durante a
fase de transmiss˜ao, criando oportunidades de transmitir o pacote ainda no T P atual e n˜ao no pr´oximo.
2.3.3 Protocolo Slotted ALOHA P-persistente
O protocolo slotted Aloha P-persistente estudado nesta disserta¸c˜ao foi analisado
an-teriormente em [HYS12]. Corresponde a um protocolo distribu´ıdo semelhante aos dois
apresentados anteriormente, onde as redes prim´aria e secund´aria partilham o mesmo
ca-nal ´unico e os SUs encontram-se dentro do alcance do transmissor do PU. Em [HYS12]
assume-se que existem NSUs e que todos eles tˆem a mesma taxa de chegada de pacotes, a
mesma probabilidadeP de aceder ao canal e modelam cada um com uma fila de espera do tipo G/G/1/K1 com o mesmo tamanho, com uma filosofiafirst-come first-served (FCFS).
A chegada de pacotes de cada SU ´e independente e modelada atrav´es de um processo de
Bernoulli com uma taxa m´edia de chegada de λ. Os pacotes podem ser rejeitados ap´os a sua chegada quando a fila de espera de um SU est´a cheia. Este protocolo ´e baseado
no m´etodo cl´assico do Slotted ALOHA P-persistente onde o tempo ´e dividido em slots e
a transmiss˜ao de um pacote tem a dura¸c˜ao de um slot, pelo que podem ser transmitidos
v´arios pacotes durante o per´ıodo de transmiss˜ao. Al´em disso, no caso de dois SUs
acede-rem ao meio ao mesmo tempo, ´e considerado o efeito de captura no lado do recetor; ou
seja, apenas a transmiss˜ao com mais potˆencia ou a mais perto do recetor dos SUs ´e que ´e
recebida caso o r´acio entre a potˆencia do sinal e a interferˆencia seja superior a um limiar.
Os outros pacotes cuja conten¸c˜ao falhou ou que n˜ao tiveram permiss˜ao para aceder ao
meio permanecem na fila de espera do respetivo SU e esperam pela pr´oxima trama para
1
G/G/1/K representa um sistema com uma ´unica fila de servi¸co finita com dimens˜ao k e uma filosofia
serem transmitidos.
Figura 2.9: Topologia da rede doSlotted CR-ALOHA [HYS12].
Na figura 2.10, os SUs ”ouvem” o canal da rede prim´aria durante o seu per´ıodo
de sensing. De seguida, transmitem os seus pacotes durante um per´ıodo de transmiss˜ao
quando o canal est´a desocupado. Visto que o per´ıodo desensinge o per´ıodo de transmiss˜ao
s˜ao fixos neste modelo, os per´ıodos de transmiss˜ao s˜ao tratados comoslots de tempo para
acesso ao canal. No in´ıcio de cada trama, osSUs fazemsensing ao meio. Se o canal estiver
ocupado, os SUs n˜ao tˆem permiss˜ao de aceder ao meio durante o pr´oximo per´ıodo de
transmiss˜ao. Entretanto, todos os pacotes gerados s˜ao adicionados `as listas dos respetivos
utilizadores. Se o canal estiver livre, os SUs que possu´ırem pacotes na sua fila tentam
aceder ao canal e transmitem com probabilidade de acessoP.
Figura 2.10: Slotted ALOHA para osPUs [HYS12].
Em [HYS12], os autores deduzem as express˜oes do d´ebito e do atraso m´edio para cada
pacote. No entanto, o modelo proposto n˜ao modela o tempo de atividade do prim´ario
probabilidade invari´avel no tempo e uniforme. No cap´ıtulo seguinte mostra-se que esta
abordagem leva a erros significativos. Das express˜oes deduzidas, os autores observam que
o d´ebito aumenta e o atraso m´edio diminui `a medida que a probabilidade do PU estar
inativo (Pidle) aumenta. Al´em disso, se Pidle for constante e se variar a carga do sistema, os autores constatam que o desempenho do modelo tamb´em ´e diferente. Desta forma,
o d´ebito diminui e o atraso m´edio aumenta com uma carga total do sistema crescente
devido ao facto de existirem mais pacotes a competir pelo acesso ao meio. Por outro lado,
a probabilidade de acesso ao meio P tamb´em influencia o desempenho do sistema. No entanto, nos resultados apresentados os autores n˜ao mostram a sua influˆencia.
2.3.4 Compara¸c˜ao entre os protocolos
Para terminar o cap´ıtulo 2, s˜ao comparados os protocolosCR-Aloha[CLMW11],
CR-CSMA[CLMW09] e Slotted Aloha P-persistente [HYS12], apresentados anteriormente.
Os trˆes protocolos analisados s˜ao distribu´ıdos e descentralizados. Todos utilizam um
sensing baseado dete¸c˜ao de energia do meio, pelo que necessitam que os utilizadores da
rede secund´aria estejam sincronizados, caso contr´ario podem confundir outros SUs com
o PU. Al´em disso, s˜ao todos baseados num ´unico canal. Por outro lado, diferem na
distribui¸c˜ao do sensing, que ocorre em cada slot para oSlotted Aloha p-persistente, e no in´ıcio de uma trama com v´arios slots, nos dois casos restantes.
Os modelos propostos por [CLMW11] e [CLMW09] analisam principalmente a
in-fluˆencia dos parˆametros de sensing no desempenho do sistema mas ignoram a influˆencia
da janela de conten¸c˜ao. Por outro lado, o ´ultimo protocolo n˜ao considerou a dura¸c˜ao
do tempo de atividade de PU. Neste caso, quando o valor de P se aproxima de um, a hip´otese da probabilidade do canal estar ocupado pelo PU ser assumida como constante
e independente em dois slots consecutivos n˜ao ´e v´alida.
Tabela 2.1: Compara¸c˜ao entre os trˆes protocolos.
CR-ALOHA CR-CSMA Slotted ALOHA P-persistente
Sensing baseado em dete¸c˜ao de energia Sim Sim Sim
Canal ´unico Sim Sim Sim
An´alise do parˆametro de sensing Sim Sim N˜ao
An´alise da janela de conte¸c˜ao N˜ao N˜ao Sim
Descri¸c˜
ao do modelo
3.1
Descri¸c˜
ao do Sistema
Para a elabora¸c˜ao deste trabalho considerou-se um sistema de r´adio cognitivo com
apenas um PU e J SUs a aceder ao canal (J ≥ 1) atrav´es de um protocolo Slotted ALOHA P-persistente. O PU pode aceder ao meio sempre que pretender e, se o canal
estiver ocupado por SUs, estes devem desimpedi-lo. Os utilizadores secund´arios s˜ao SUs
equipados apenas com um transceiver, pelo que n˜ao podem fazer o sensing do canal ao
mesmo tempo que transmitem informa¸c˜ao, sendo obrigados a efetuar a opera¸c˜ao desensing
periodicamente. Como osSUsn˜ao conseguem distinguir as transmiss˜oes dosPUs das suas,
´e de grande importˆancia que osSUs estejam sincronizados, fazendo a opera¸c˜ao desensing
durante o mesmo intervalo de tempo, para que s´o existam PUs a aceder ao canal. Caso
contr´ario, seria poss´ıvel o aparecimento de eventos de falso alarme no sistema devido a
dete¸c˜oes de sinais deSUs confundidos com o sinal doPU. De qualquer modo, como osSUs
baseiam as suas opera¸c˜oes de sensing em dete¸c˜ao de energia, podem ser originadas falsas
dete¸c˜oes do sinal do PU devido ao ru´ıdo com origem t´ermica ou noutros sinais presentes
no meio. Os SUs acedem ao canal com probabilidade P quando detetam que o PU est´a inativo durante a fase inicial de sensing de um slot. No entanto, ´e poss´ıvel que existam
colis˜oes quando dois ou mais SUs decidem iniciar uma transmiss˜ao ao mesmo tempo.
Tamb´em ´e poss´ıvel existirem colis˜oes entre os SUs e o PU se algum SU n˜ao conseguir
detetar a transmiss˜ao do PU e decidir transmitir. No caso de ocorrer uma colis˜ao, os
pacotes tˆem que ser novamente transmitidos at´e que sejam recebidos com sucesso.
Cada trama deSU ´e composta por um per´ıodo de sensing com dura¸c˜ao de TSU S slots seguido de um per´ıodo de transmiss˜ao com dura¸c˜ao de TSU
D slots, tendo a dura¸c˜ao total de TSU
F slots. A dura¸c˜ao de cadaslot ´e dada pelo per´ıodo de amostragem do canal.
1
...
N
SN
S+1
...
...
N
TT
SSUT
DSUFigura 3.1: Trama de um SU.
Os primeiros NS slots definem a dura¸c˜ao do per´ıodo de sensing e os restantes slots assinalam a dura¸c˜ao do per´ıodo de transmiss˜ao (de NS+ 1 at´eNT).
Por outro lado, os tempos de atividade doPU est˜ao divididos entre per´ıodo ativoTP U F e per´ıodo inativo TP U
F . O acesso dos SUs deve minimizar a perturba¸c˜ao que introduz nos PUs. De forma a garantir que os SUs detetam rapidamente a atividade dos PUs, cada
ciclo dos utilizadores secund´arios deve ser significativamente mais curto do que o per´ıodo
ativo/inativo do PU (TSU
F < min(TFP U, TFP U)) [GS07]. Desta maneira, o tamanho dos ci-clos dosSUs deve ser escolhido de acordo com a seguinte express˜ao: TSU
F =
min(TP U F ,TFP U)
α onde α > 1 [LFO+13]. De salientar que, para a elabora¸c˜ao deste trabalho, foi utilizado um valor de α= 15 para limitar a interferˆencia entre oPU e os SUs [LFO+13].
A taxa de chegada de pacotes dosSUs ´e modelada atrav´es de um processo dePoisson
com um ritmo m´edio de λ pacotes de dados por trama. Os pacotes s˜ao guardados numa fila de espera at´e iniciarem a transmiss˜ao. A transmiss˜ao de um pacote pode demorar um
tempo vari´avel que depende do meio estar a ser usado pelo PU, do valor da vari´avel P que condiciona o acesso, e de poss´ıveis colis˜oes. Nesta disserta¸c˜ao, o sistema ´e modelado
por uma fila de espera do tipo M/G/1 [Kle76][Dai05].
3.1.1 Comportamento do utilizador prim´ario
Neste trabalho, foi considerado que oPU tem um comportamento n˜ao constante, isto
´e, o PU pode aceder ou desocupar o canal aleatoriamente durante uma trama dos SUs.
Posto isto, assume-se que todos os pacotes transmitidos durante umslot onde ocorre uma
A modela¸c˜ao da atividade do PU foi gerada a partir da cadeia de Markov ilustrada
abaixo, constitu´ıda por dois estados e respetivas probabilidades de transi¸c˜ao (probabilidade
de altera¸c˜ao de estado ativo para inativo (π10) ou vice-versa (π01) e probabilidade de se manter no mesmo estado (π00 ou π11)). Para TFP U < TFP U as probabilidades s˜ao dadas por [LFO+13]:
π10= αN1T π11= 1−π10 π01= αNTP(1β−Pβ) π00= 1−π01
(3.1)
ondePβ ´e a probabilidades do PU se manter ativo.
!" #$
%&'#()
!" #$
#*%&'#()
++
,,
+,
,+
Figura 3.2: Cadeia de Markov do comportamento doPU.
Para calcular a probabilidade de falso alarme (PF A) e de dete¸c˜ao (PD) ´e necess´ario calcular a probabilidade da energia detetada por um SU ser superior ao valor de limiar.
Quando se d´a a altera¸c˜ao de estado doPU durante a opera¸c˜ao desensingdosSUs, podem
ocorrer dois cen´arios distintos:
❼ Altera¸c˜ao do estado ativo para inativo de PU - Durante os primeirosslots do
per´ıodo de sensing oPU est´a ativo (at´eNG slots). Nos restantesslots, o estado do PU fica inativo.
❼ Altera¸c˜ao do estado inativo para ativo de PU - Ao contr´ario do cen´ario
anterior, o PU altera o seu estado de inativo para ativo ap´os NG slots pelo que de
NG+ 1 at´eNS, o PU mant´em-se ativo.
![Figura 2.2: Oportunidades no dom´ınio do espa¸co geogr´afico [YA09].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16578073.738376/27.892.294.611.506.720/figura-oportunidades-dom-ınio-espa-geogr-afico-ya.webp)
![Figura 2.7: Modelo da rede CR de [CLMW11].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16578073.738376/38.892.232.664.675.972/figura-modelo-da-rede-cr-de-clmw.webp)
